基于TRIZ原理的附加水罐和內循環裝置的燃氣熱水器恒溫策略研究

韓健 曹冠中 葉盛響 黃凱

青島經濟技術開發區海爾熱水器有限公司 山東青島 266101

0 引言

燃氣熱水器具有即熱即用、節能低耗的優點，已經越來越受到用戶的認可。鑒于安全原因，通常強排式燃氣熱水器被安裝在廚房，水被加熱后需通過管道輸送到衛生間使用，使得熱水器的加熱端和出水端存在一定距離，從而水的抵達溫度與加熱端有一定溫度差，存在“夾層水”現象。所謂“夾層水”，即用戶在洗浴過程中，關停出水閥后再次打開時，水溫會出現先熱后涼的狀態。本文研究的核心問題為如何盡可能減少水溫波動，保持恒溫。

針對以上問題，已有研究人員著重從軟件層面進行優化[1]。對業內主流品牌燃氣熱水器控制系統[2][3]進行反向拆解，重點借鑒其前饋和后饋控制策略[4][5]，但該種方法效果已經達到一定極限值，溫度維持在±2℃，若結構硬件不做任何升級，恒溫效果將一直徘徊不前。本文借鑒TRIZ理論中物場原理[6]，將加熱系統和用水系統分別定義為S1物場和S2物場，在該模型內嘗試兩種不同方案：①物場原理，在S1物場和S2物場之間增加S3物場（內循環裝置），有效利用燃氣熱水器內部的熱力場混水均溫；②技術矛盾解，利用條件分離當中的借助中介物（增加水罐）解決高低水溫問題；每種模型模擬用戶真實使用場景進行實驗。

另外，對于夾層水的問題，由于每個用戶家中的具體管路安裝和每個人的舒適度體感不同，對同樣條件的出水，體驗結論可能千差萬別，對此建立了初步的熱水器舒適度評價體系，在一定進水溫度、出水距離、出水量的前提下，從最低水溫和最小夾層水量兩個維度進行等級評定，共區分出4個等級來定義夾層水的舒適度。

綜上分別結合兩種夾層水改善方法測試結果，輸出各方法夾層水的改善效果等級，評估現有產品平臺改動可行性和投入產出比，最終選定水罐+內循環裝置為改善策略，即在熱水器出水端增加一個0.5 L的儲水罐加停水循環燃燒，7 L流量以下，能將最低水溫提升10℃，能有效解決7 L以下流量的夾層水問題。

1 TRIZ解題方法

1.1 附加場解

1.1.1 物場模型建立

最簡單的物場模型至少應該包含以下三個元素：

（1）第一種物質（S1）：作用的承受者（本文中指管中水）；

（2）第二種物質（S2）：作用的施加者（本文中指加熱系統）；

（3）場（F）：存在于作用施加者和承受者之間的作用。

用圖1表示場F對于S1和S2的作用。

圖1 物場模型

1.1.2 附加場建立

目前燃氣熱水器當中的燃燒器和換熱器共同組成S2對管中水S1進行F加熱作用，但是目前此物場并不是十分完善，存在一個時間差的矛盾，在S2不對S1發生作用的時候，S1中有部分冷水未被加熱，會摻雜在熱水中，形成夾層水。根據TRIZ理論中的利用環境資源并引入添加物的物場模型方法，充分利用S1中的熱力場，增加S3（內循環管路），將S1中熱力場直接引入到進水口處以中和進水涼水，進行二次加熱，縮短升溫時間。圖2為物場模型的變化示意圖，圖3為熱水器中的管路示意圖。

圖2 復合物場模型

圖3 熱水器管路示意

1.2 技術矛盾解

TRIZ中的技術矛盾是指在改善對象的某個參數（A）的時候，導致另一個參數（B）的惡化，此時，稱參數（A）和參數（B）構成了一對技術矛盾。

在本文研究的課題當中，出水管前段水溫和后段水溫就是一對技術矛盾，前段水溫高，后段水溫必然低；前段水溫低，后段水溫必然高。從而利用TRIZ標準解中條件分離方法中的借助中介物原理[6]，在出水口前端增加一個中介物儲水罐，從而將前段出水和后段出水的水溫快速中和起來，將水溫的上下波動拉平。

燃氣熱水器內部結構空間非常緊湊，且外殼尺寸平臺已經確定，嘗試在內部搭載1 L和0.5 L水罐兩種解決方案。結論是1 L水罐方案在10 L/min流量下能較好解決水溫降低的問題，能夠將最低水溫提高7℃～9℃。存在的問題是首次加熱時加熱時間由10 s提到20 s以上，延長了加熱時間；增加一個0.5 L的儲水罐能提升最低水溫7℃，能解決5 L以下流量的夾層水問題，但5 L以上的由低溫水引起的夾層水問題，解決效果不明顯。

綜上，對于1.1附加場解（內循環）和1.2技術矛盾解（水罐）單獨運用[7]，都不能完全解決夾層水問題，從而需要進行綜合運用，才有可能達到理想改善效果，在本文后續實驗過程中將兩者合并在一起進行驗證。

2 舒適度評價分級

2.1 夾層水溫度曲線

夾層水溫度曲線如圖4所示。

圖4 夾層水溫度曲線

圖4中紫色曲線為出水口最低溫度27℃，時間為8.19 s；藍色曲線為8 m處出水口最低溫度30℃，時間為7.58 s；綠色曲線為13 m出水點最低溫度34℃，時間為7.38 s。以上為沒有增加任何改善措施時夾層水原始出水狀態。這個曲線描述了如下這個洗浴場景：在冬季沐浴時候，關水后再開，先是一股更高溫度的熱水，繼而是一股冷水，持續時間大約在7 s。洗浴體驗忽冷忽熱，要提防水溫變化。

2.2 舒適度評價分級標準

2.2.1 測試條件和方法

（1）測試條件

進水溫度：（9±1）℃；燃氣條件：0～2 Kp；供水壓力為0.1 MPa，供水水壓穩定[7]。

設置狀態：按說明書要求管路連接，在出水口設置溫度傳感器，能連續監控溫度變化。溫度設定42℃，將進水流量調節到使熱水器處于最大負荷流量。或采用增加進水壓力方式使熱水器在最大熱負荷狀態下工作。

測試母本：選定海爾JSQ31-16CR5SWU1型號燃氣熱水器，制熱水能力：16 L/min；額定輸入功率48 W；額定熱負荷31 kW；外觀尺寸：640 mm×390 mm×1600 mm。

測試設備：海爾熱水器試驗臺，如圖5所示。

圖5 實驗設備

（2）測試方法

熱水器點燃運行10 min后關閉出水，2 min后再次開水運行，測定出熱水的最低溫度。記錄出水溫度曲線，并根據曲線記錄溫度低于37℃的時間，根據時間和流量計算出夾層水水量[8]。

2.2.2 夾層水舒適度評價分級標準

結合2.2.1測試條件和方法，按照最大負荷，開機10 min后停機4 min再次重啟，按照通常自來水8 L/min的流量，結合熱水器型號水路參數，在出水口、8 m用水點、13 m用水點產生的低于37℃的出水量分別為：1.09 L；1.01 L；0.98 L。可以用最低水溫和最低夾層水量來衡量夾層水改善效果評定[9]。

舒適度評價標準是筆者根據多次實驗結果從水量、溫度和時間三個維度進行綜合劃分的：若最低水溫較低，夾層水量又大，恒溫所需時間又長，用戶的洗浴感受肯定是較差的，定義為舒適度第四級；相反，如果最低水溫和體溫基本相仿，夾層水量很小或者幾乎為零，夾層水量小，必然意味著達到恒溫的時間較短，綜合來看，用戶的洗浴感受將會有很大改善，相對而言是最佳的，定義為舒適度第一級；介于這兩種情況中的其他狀態，定義為第二和第三級，且分級標準是以最低水溫為較大權重。分級標準如表1所示。

表1 夾層水舒適度評價分級標準

3 方案測試和數據分析

3.1 無水罐方案與1 L水罐方案對比

測試方法：進水溫度10℃，設定出水溫度42℃。在不同流量下加熱至設定溫度，再停水2 min，測試加水罐（1 L）和不加水罐兩種情況下的出水溫度的最低溫度。測試數據如表2所示，水路循環如圖6所示。

表2 無水罐方案與1 L水罐方案對比

測試結論：增加1 L水罐后，最低水溫為37℃時，夾層水量已經為0 L，舒適度評級結論為一級。綜上，10 L流量下能很好解決水溫降低問題，能夠將最低水溫提高7～9℃。存在的問題是首次加熱時加熱時間由10 s提到20 s以上，雖然符合首次加熱時間國標要求＜35 s，但是帶給用戶的體驗不佳，嘗試使用更小水罐方案，例如0.5 L。

3.2 無水罐方案與0.5 L水罐方案對比

測試方法：進水溫度10℃，設定出水溫度42℃。在不同流量下加熱至設定溫度，再停水2 min，測試加水罐（容積0.5 L）和不加水罐兩種情況下的出水溫度的最低溫度，測試數據如表3所示，水路循環同圖6，其中水罐更換為0.5 L容積。

圖6 多個磁芯疊繞的共模電感

表3 無水罐方案與0.5 L水罐方案對比

圖6 無水罐方案（左）與1 L水罐（右）方案結構對比

測試結論：無水罐時，8 m位置最低水溫為31℃時，夾層水量為0.95 L，舒適度評級結果為四級；增加一個0.5 L水罐后最低水溫31.5℃時，夾層水量為0.85 L，舒適度評級位于三級和四級之間。綜上，增加0.5 L水罐一定程度可以改善5 L以下流量的夾層水問題，5 L以上低溫水引起的夾層水改善效果不明顯。繼續嘗試0.5 L水罐+內循環結合方案[10]。

3.3 內循環＋0.5 L水罐方案

測試方法：進水溫度10℃，設定出水溫度42℃。在不同流量下加熱至設定溫度，再停水2 min（停水期間打開內循環，水泵帶動機器燃燒約10 s，再不燃燒循環30 s），測試加水罐（容積0.5 L）情況下的出水溫度的最低溫度[11]，如表4所示，水路循環如圖7所示。

表4 內循環＋水罐0.5 L方案

圖7 內循環+0.5 L水罐方案

測試結論：增加一個0.5 L儲水罐加內循環燃燒，7 L流量時，最低水溫34℃，夾層水量1.07 L，舒適度為三級。綜上，7 L流量以下，能將最低水溫提升10.5℃，能夠解決夾層水問題，7 L以上大流量低溫水引起的夾層水效果不明顯。

綜上實驗結論，選定內循環+0.5 L水罐作為解決方案，對此做加強驗證；分別是（1）無水罐；（2）0.5 L水罐；（3）0.5 L水罐+內循環方案。驗證數據如表5所示，舒適度評級對比如表6所示。

表5 內循環+0.5 L水罐解決方案對比測試

表6 解決方案舒適度評級對比

4 結論

本文依據TRIZ理論中的技術矛盾解原理，選擇增加中間物場策略，從而輸出搭載1 L水罐，0.5 L水罐兩種方案，在進行實驗后，均無法達到預期恒溫出水效果，再次利用TRIZ中附加場原理，利用熱水器內部本身具有的冷端（加熱前水管內的常溫水），將冷端和熱端用內循環管進行連接，輸出水罐+內循環的第三種方案，實驗結果優于前述兩種方案。同時，制定用戶洗浴體驗進行舒適度等級評價標準，綜合最低水溫和夾層水量進行評估，輸出水罐+內循環方案勝出。

綜上，從整個產品競爭力維度宏觀評價，對于此項技術創新，產品改善最為核心的三要素為：舒適度評級標準+成本+內部結構改善空間。由于燃氣熱水器內部空間的限制，首選0.5 L水罐方案，經實驗驗證，如果只搭載0.5 L水罐，對于水溫的恒定起到的貢獻值有限，從表5可以看出，在平均7 L的夾層水量前提下，0.5 L水罐方案僅能將出水最低溫度提升到31.5℃，在距離熱水器8 m處出水口位置出水溫度為33℃，尚低于人體常規體溫（36.5℃），總體體驗舒適度較低。鑒于此，在搭載0.5 L水罐的前提下，復合內循環水管，最低出水溫度達到34℃，8 m處出水溫度達到35℃，接近人體體溫，舒適度有顯著提升。從而本文研究結論為：從物理結構改善角度，增加0.5 L儲水罐和內循環水路可以將燃氣熱水器的洗浴舒適度提升一個標準等級，一定程度上解決燃氣熱水器水溫忽冷忽熱的用戶痛點，后續可以配合復合控制軟件的更新，使用戶體驗更佳。